1.2. Способы получения низких температур:

а) испарительное охлаждение жидкостей.

Охлаждение жидкости достигается уменьшением давления равновесного пара над поверхностью жидкости, то есть вакуумированием парового пространства.

Это самый простой и самый экономичный способ получения холода.

На рис.1.1 показана схема получения низких температур методом испарения (кипения) жидкости.

Рис.1.1. Схема прототипа простейшей холодильной машины:

1 – кипящее рабочее тело (хладагент); 2 – испаритель; 3 – холодильная камера; 4 – регулировочный вентиль; 5 - компрессор

В емкости (испарителе) 2 находится жидкость (рабочее тело), которая кипит под воздействием теплоты окружающей среды. Температура кипения жидкости Т₀зависит от величины давления в емкости Р₀. Это давление можно изменять с помощью компрессора 5 и вентиля 4. Отвод теплотыq₀из теплоизолированной камеры 3 создает в ней холод с температурой близкой к Т₀.

Недостаток такого метода – потеря в виде пара значительного запаса рабочего вещества. Его можно избежать, если сделать систему замкнутой – пар сконденсировать и вернуть обратно в испаритель. Что в реальных холодильных машинах и предусмотрено.

Первую компрессионную холодильную машину (ХМ), работающую на метиловом эфире, изобрел инженер Великобритании Я. Перкинс в 1834 г.

В 1874 г. немецкий инженер К. Линде создал первую аммиачную компрессионную ХМ, положив начало холодильному машиностроению.

В настоящее время более 90% выпускаемых в мире холодильных машин используют этот способ получения холода;

б) охлаждение газов и жидкостей дросселированием.

Дроссельэффект открыли в 1852 г. английские физики Д. Джоуль и У. Томсон (Кельвин). Дросселированием называют процесс расширения потока без энергообмена с окружающей средой и без увеличения скорости течения. При этом наблюдается изменение температуры потока, что собственно и называется дроссельэффектом. Понижение температуры при положительном дроссельэффекте невелико, но из-за простоты этот способ охлаждения нашел широкое применение в криогенных и холодильных установках малой мощности.

Более подробные сведения о процессе дросселирования и о его использовании, см. в [1];

в) охлаждение газов расширением с совершением внешней работы

Если сжатый газ направить в турбину или цилиндр поршневой машины, то в процессе расширения он совершает работу. Машины, предназначенные для расширения газа с отдачей работы с целью его охлаждения называются детандерами. При таком расширении газ сильно охлаждается. Значительно сильней, чем при дросселировании с тем же перепадом давлений.

Например, если сжатый воздух с начальным давлением Р₁=20 МПа и температуройТ₁=300 К расширять в детандере до давленияР₂=0,5 МПа, то воздух охлаждается до значений:

1) Т₂=267 К – при дросселировании, т.е. дроссельэффект составляетТ=Т₁-Т₂=33;

2) Т₂=100 К – при расширении в детандере, т.е. охлаждение воздуха составляетТ=200.

Этот на первый взгляд простой способ охлаждения долго не удавалось реализовать из-за технических трудностей создания низкотемпературного детандера (материалы, смазка и т.п.).

Впервые детандер для получения холода использовал немецкий инженер В. Сименс в 1875 году. В 1902 г. французский химик и изобретатель Ж. Клод усовершенствовал процесс сжижения воздуха, применив детандер для его охлаждения. Турбодетандер был предложен еще в 1898 г., но первый работоспособный турбодетандер (в области криогенных температур) был создан в 1938 г. отечественным академиком П.Л. Капицей.

В настоящее время детандеры с системой рекуперативных теплообменников (ступени Сименса) широко применяются в холодильной и криогенной технике. Более детальные сведения о конструкциях и работе детандеров см. в [1, ];

г) охлаждение газов истечением из постоянного объема.

Если взять сосуд с сжатым газом с начальными параметрами Р₁иТ₁и с помощью вентиля начать выпускать его в пространство с давлениемР₂, то температура воздуха в сосуде будет снижаться в соответствии с уравнением адиабаты:

. (1.1)

Это явление было открыто случайно инженером Горри еще в 1845 г., однако его практическое использование началось значительно позднее. Используется в криогенной технике для сжижения гелия и др. газов.

д) охлаждение в вихревых трубах

Холодильный эффект в вихревой трубе открыл опытным путем в 1933 г. француз Ф. Ранк. Позднее (в 1946 г.) теорию и практику этого явления развил немецкий инженер Р. Хильш. Поэтому получение холода в вихревой трубе носит названиеэффекта Ранка-Хильша.

Рис. 1.2. Схема адиабатной вихревой трубы

Сжатый газ с давлением 0,5-0,6 МПа и температурой близкой к температуре окружающей среды подается через сопло в цилиндрическую трубу тангенциально. Закрученный поток в трубе разделяется. Периферийная часть потока с повышенной температурой выходит из трубы через кольцевую щель. Холодный газ вытекает через центральное отверстие диафрагмы. Температуру холодного газа и холодопроизводительность устройства можно регулировать коническим дросселем на горячем конце вихревой трубы.

Подробнее с устройством и теорией вихревой трубы можно познакомиться в [1, , , ].

е) термоэлектрический способ охлаждения

Используется термоэлектрический эффект открытый французским физиком Ж. Пельтье в 1834 г. Это явление обратно термоэлектрическому эффекту открытому немецким физиком Т. Зеебеком в 1821 г.

Если составить цепь из разнородных проводников (см. рис. 1.3а), то при нагреве одного спая и охлаждении второго, в цепи появится электрический ток. Это так называемыйэффект Зеебека. На принципе этого явления работает термопара.

Рис. 1.3. Схемы иллюстрирующие термоэлектрические эффекты:

а) эффект Зеебека (термопара); б) эффект Пельтье (трансформатор теплоты);

q_г,q_х – горячие и холодные тепловые потоки

Если через эту же цепь пропускать постоянный электрический ток, то в спаях разнородных проводников возникает разность температур – один спай нагревается, а другой охлаждается. Это и есть эффект Пельтье.

Если холодный спай использовать для отвода теплоты от какого-либо объекта при низкой температуре, а горячий спай для подвода теплоты в среду с более высокой температурой, то получится трансформатор теплоты, работающий непосредственно за счет электрического тока. Эффект значительно усиливается при применении полупроводников.

Существует еще ряд способов получения низких температур: при помощи термомагнитного охлаждения; используя магнитоэлектрические и электрокалорические трансформаторы теплоты. Эти способы используются в лабораторных условиях при температурах близких к абсолютному нулю [1].